La máquina de vapor de Watt

La máquina de vapor desarrollada por el escocés James Watt (1736-1819) a partir de 1769 era mucho más eficiente en términos de potencia y consumo de combustible que los modelos anteriores, y aumentó considerablemente los posibles usos de este invento clave de la Revolución Industrial (1760-1840).

Watt no inventó la máquina de vapor ni fue el único responsable de los avances técnicos que llevan su nombre, pero fue el impulsor de que la máquina se convirtiera en la fuente de energía favorita de muchas fábricas, minas, máquinas agrícolas y medios de transporte. Watt y su socio Matthew Boulton (1728-1809) fabricaron y vendieron casi 500 máquinas de vapor antes de que su patente caducara en 1800 y otros inversores asumieran el reto de seguir mejorando la potencia y la eficacia de la máquina de vapor.

Las primeras máquinas de vapor

La máquina de vapor fue un invento que evolucionó con el tiempo a medida que los sucesivos ingenieros la hacían cada vez más eficiente y la adaptaban para usos prácticos y rentables más amplios. El objetivo principal era desarrollar una máquina que pudiera sustituir a las fuentes tradicionales de energía, como el músculo humano y animal, el viento y el agua.

La máquina de vapor se desarrolló por primera vez como medio para bombear los pozos de las minas y liberarlos de las aguas de las inundaciones, lo que permitía explotar minas más profundas. La primera bomba de vapor fue patentada por Thomas Savery (c. 1650-1715) en 1698. Thomas Newcomen (1664-1729), ferretero de Dartmouth, perfeccionó en 1712 su bomba de vapor, más potente, para vaciar de agua las minas de carbón de Dudley, en las Midlands. La máquina de Newcomen seguía sin ser muy eficiente en el consumo de combustible, lo que no suponía un grave problema en las minas de carbón, donde obviamente había mucho carbón, pero sí una desventaja si las máquinas de vapor iban a utilizarse en otros lugares, como minas de estaño y fábricas. Otro problema era que el motor de Newcomen no era especialmente potente. Afortunadamente, la máquina de vapor constaba de muchas piezas diferentes, y cada una de ellas fue desarrollada a lo largo del tiempo por diferentes inventores para hacerla más potente y más eficiente.

El principio de la máquina de vapor era que el agua calentada produce vapor, que es 1500 veces más voluminoso. El vapor, al enfriarse y condensarse de nuevo en agua, reduce entonces drásticamente su volumen y crea un vacío parcial. El vacío crea un poder de succión, que puede utilizarse para aspirar agua. En términos científicos, en el siglo XVII científicos como Galileo (1564-1642) descubrieron que el peso de la atmósfera exterior (presión atmosférica), con su mayor presión que el vacío en la máquina, crea una fuerza energética que puede utilizarse para mover algo de un lugar a otro. En lugar de agua, se podría introducir un pistón en el vacío para crear una carrera de fuerza. La carrera de fuerza podría entonces mover una viga de palanca que proporcionara elevación. Cuando el depósito de vacío se vacía mediante válvulas para dejar salir el vapor, la viga vuelve a su posición natural gracias a la gravedad, y así el pistón vuelve a salir del depósito de vacío, listo para repetir el ciclo. El motor necesitaba dos elementos esenciales: carbón para calentar el agua y agua dulce pura que no dañara el funcionamiento interno de la máquina.

Savery y Newcomen explotaron estos principios para crear una máquina de vapor funcional. Newcomen mejoró la potencia de la máquina de Savery inyectando agua fría para acelerar el proceso de condensación. También sustituyó el vástago del pistón por una cadena, mucho menos propensa a atascarse. Pero aún quedaba mucho por mejorar. Una máquina mejor fabricada y con piezas más ajustadas podría soportar mucha más presión y, por tanto, proporcionar más potencia. En la década de 1760, John Smeaton duplicó el rendimiento de la máquina de vapor, pero aún no era suficiente. En 1769, James Watt, un fabricante de instrumentos escocés, encontró el camino a seguir, irónicamente, después de que le pidieran que reparara una máquina de Newcomen.

James Watt

Watt nació en Greenock (Escocia) en 1736. Se formó en Londres y trabajaba en la Universidad de Glasgow como constructor de instrumentos matemáticos cuando, en 1764, recibió un modelo de la máquina de vapor de Newcomen y la universidad le pidió que la reparara. Durante las reparaciones, Watt se dio cuenta de que había varias formas de mejorar el diseño. Cinco años más de investigación y desarrollo, con la ayuda financiera de John Roebuck, que adquirió una participación de dos tercios en la empresa. En su autobiografía (curiosamente escrita en tercera persona), Watt explica su motivación: "Su idea era fabricar motores baratos y buenos" (Dugan, 54).

En 1769, Watt patentó su nueva máquina atmosférica. Esta innovadora máquina de vapor tenía un condensador separado para aumentar enormemente la eficacia. Watt separó las partes calientes (cilindro del pistón) y frías (condensador) de la máquina, que interferían en la eficacia de la acción de condensación, ya que el cilindro del pistón se enfriaba innecesariamente cuando se inyectaba agua para crear el vapor. Por ello, su máquina en esta fase se denomina a menudo condensador separado. Watt siguió experimentando con Matthew Boulton, un industrial de Birmingham que compró la participación de Roebuck en la gran empresa de Watt tras la quiebra de este. La pareja empezó a hacer realidad su motor en 1775, trabajando en la Soho Engineering Works de Birmingham. Watt sabía que, según sus propias palabras, "la línea más probable para el consumo de nuestros motores es la aplicación de los mismos a los molinos, que es ciertamente un campo extenso" (Allen, 171)

Watt y Boulton continuaron retocando su diseño durante los años siguientes. Un desarrollo significativo fue aumentar la potencia asegurándose de que el vapor empujaba el pistón hacia abajo al mismo tiempo que el vacío tiraba de él. El vapor se introducía ahora en ambos extremos del pistón alternativamente, dependiendo de la dirección en la que se moviera el pistón. De ahí que este nuevo tipo de motor se denomine a menudo motor de doble efecto. El desarrollo dio como resultado más potencia, una mayor regularidad en la potencia y una ejecución más fluida de esa potencia. Esta potencia aumentó aún más cuando Watt sustituyó la cadena que conectaba el pistón a la viga por un sistema más rígido de bielas que permitía empujar y tirar más del pistón.

Otro refinamiento consistió en utilizar piezas mejor ajustadas para el motor, minimizando cualquier pérdida de calor y energía. Watt pidió ayuda a los expertos constructores de cañones John y William Wilkinson para que le proporcionaran piezas de hierro más ajustadas. Gracias a los nuevos componentes, la máquina tenía un sellado mucho mejor entre el pistón y su carcasa. Además, el hierro era mucho más barato que el latón, el material preferido hasta entonces. Otros ajustes consistieron en añadir una bomba para extraer el aire y el vapor condensados, aislar el pistón caliente para mantenerlo caliente y sumergir el depósito de condensación en otro depósito de agua para mantenerlo frío.

Venta de la máquina de Watt & Boulton

La potencia de las máquinas de vapor se medía ahora utilizando una escala equivalente a la potencia de un caballo. El término "caballo de fuerza" fue acuñado por Watt y ayudó a evaluar las mejoras introducidas en las futuras máquinas. El último avance clave de Watt (que ya habían utilizado otros inventores rivales) consistió en convertir la potencia de la máquina no en una cadena vertical o varillas, sino en un movimiento giratorio mediante un pesado volante de inercia conectado por engranajes sol y planeta. Esta disposición hacía que la acción de la máquina fuera mucho más fluida y menos propensa al desgaste. Ahora la máquina de vapor rotativa podía utilizarse para casi cualquier tarea que requiriera tirar, empujar, girar, levantar y presionar. La culminación de esta investigación y desarrollo llegó en 1784 con el motor que Watt y Boulton fabricaron para Samuel Whitbread (1720-1796). Whitbread dirigía una fábrica de cerveza en Londres, y el motor, instalado en 1785 y en funcionamiento hasta 1887, tuvo tanto éxito que lo ayudó a convertirse en el cervecero más importante de Gran Bretaña. La máquina es hoy la máquina de vapor rotativa de Watt más antigua que se conserva y está expuesta en el Museo Powerhouse de Sídney.

Watt y Boulton confiaban en su producto y, de nuevo en 1784, compraron el molino Albion de Londres, que fue la primera gran fábrica totalmente movida por vapor. Se invitaba a los fabricantes al molino para que vieran funcionar las impresionantes máquinas de Watt y Boulton y luego hicieran un pedido. La estrategia funcionó, y al año siguiente una fábrica de algodón propiedad de George y John Robinson en Nottingham se convirtió en la primera en contar con una máquina de James Watt & Co.

Para su éxito comercial, la máquina de vapor de Watt solo consumía una cuarta parte del combustible que necesitaba la de Newcomen. Esto hizo que el funcionamiento de la máquina fuera asequible para más empresas y permitió utilizarla en zonas remotas donde no había grandes reservas de carbón. Esta era la consideración vital en aquella época y compensaba la modesta potencia del motor, unos 15-16 caballos por hora. Como señala el historiador J. Mokyr, los logros del escocés significan que "Watt es comparable, por ejemplo, a Pasteur en biología, Newton en física o Beethoven en música. Algunos individuos sí fueron importantes" (Dugan, 54).

Otros avances

Hacia 1800, Gran Bretaña contaba con más de 2500 máquinas de vapor (Francia, el competidor más cercano de Gran Bretaña, tenía menos de 200, mientras que al mismo tiempo, el número en EE.UU. era de una sola cifra). La mayoría de las máquinas británicas se utilizaban en minas, fábricas de algodón y manufacturas. Casi 500 de estos motores fueron fabricados por Watt y Boulton. De los motores de Watt, 52 se utilizaron en minas, 84 en fábricas de algodón y el resto en una amplia gama de industrias. Incluso las fábricas que utilizaban ruedas hidráulicas tradicionales empezaron a utilizar el motor de Watt como reserva para cuando los niveles de agua locales eran demasiado bajos para ser eficientes.

Fue también en 1800 cuando Watt se jubiló, ya que su patente había caducado. La máquina sobreviviría mucho tiempo a su inventor, y siguió mejorando gracias a las nuevas ideas de ingenieros más jóvenes. De hecho, la patente de Watt había frenado a otros inventores, que ahora tenían libertad para introducir nuevas mejoras. En reconocimiento a su contribución a la ciencia y la ingeniería, se bautizó con su nombre una unidad de medida eléctrica.

Las máquinas de vapor siguieron evolucionando y se beneficiaron de una maquinaria cada vez mejor, capaz de fabricar piezas más resistentes y que encajaban mejor. En el siglo XIX, las máquinas de vapor se utilizaban para la maquinaria pesada de las fábricas, las trilladoras en la agricultura, las imprentas y las obras de alcantarillado en Gran Bretaña y otros países. Revolucionaron la industria. Por ejemplo, en 1835, alrededor del 75% de las fábricas de algodón de Gran Bretaña utilizaban la energía del vapor. Incluso allí donde continuaba el trabajo manual tradicional, como en la agricultura, las herramientas que utilizaban los trabajadores se fabricaban a menudo con máquinas de vapor. Las primeras máquinas tenían la ventaja de consumir poco combustible y ser móviles, lo que las convertía en un producto vendible, pero ahora, con una potencia también mucho mayor, no solo podían sustituir a otras fuentes de energía como las norias, sino que podían utilizarse para fines totalmente nuevos, como el transporte. Los ferrocarriles transformaron Gran Bretaña a medida que las locomotoras de vapor conectaban todas las partes del país.

Los ferrocarriles fueron posibles gracias al desarrollo de la máquina de expansión, que apagaba la fuente de calor antes de que el vapor se hubiera expandido por completo, permitiendo que la expansión continuara de forma natural y ahorrando así combustible. El control de la expansión del vapor mediante válvulas fue otro paso adelante. Gracias a los constantes retoques de los ingenieros que utilizaban las propias máquinas y observaban sus peculiaridades, la parte de vapor del proceso se hizo tan eficiente que la parte de condensación pasó a ser irrelevante.

Algunas máquinas de vapor eran gigantescas. James Watt murió en 1819, pero su empresa siguió adelante. James Watt & Co. suministró las máquinas para el gigantesco buque de vapor SS Great Eastern, diseñado por Isambard Kingdom Brunel (1806-1859). Cada una de las dos máquinas pesaba 90 toneladas y eran las más grandes construidas hasta entonces. Sus enormes cilindros medían 1,88 metros de largo. Los motores daban un total de 3150 caballos de potencia, el doble que cualquier otro barco existente. El Great Eastern realizó con éxito su viaje a Nueva York en 1860. Watt habría quedado muy impresionado.

Las máquinas de vapor se habían impuesto ya en toda Europa y seguirían siendo la fuente de energía dominante hasta el siglo XX, cuando el motor de combustión y la electricidad tomaron el relevo.

Impacto de la máquina de vapor

Las máquinas de vapor trajeron el éxito a inventores como Watt, y aportaron grandes beneficios a los fabricantes y otros empresarios, ya que se redujeron los costos de mano de obra y se lograron economías de escala en la producción. Se observaron otros beneficios en la agricultura, donde las máquinas de vapor móviles resultaron extremadamente útiles en la época de la cosecha o para proyectos de gran envergadura como el drenaje de campos. La energía del vapor permitió a los nuevos ferrocarriles conectar a la gente como nunca antes, y un transporte más rápido abarató los bienes de consumo. Las industrias del carbón y el acero experimentaron un auge para alimentar las máquinas de vapor y proporcionar la materia prima para los objetos que fabricaban. También hubo muchos efectos menos positivos. Los trabajadores cualificados del sector textil perdieron sus empleos en favor de los telares mecánicos, al igual que los que dirigían diligencias, posadas y establos cuando los trenes sustituyeron a los métodos de transporte tradicionales. La urbanización se aceleró y las ciudades se convirtieron en lugares abarrotados y contaminados. Las fábricas mecanizadas eran lugares de trabajo ruidosos y a menudo peligrosos. Pero ya no había vuelta atrás. La fuerza de las máquinas, cualquiera que fuera su origen, se hizo tan indispensable que hoy nos resulta casi imposible imaginar cómo era la vida antes de la gran revolución del vapor.